作者：黎洪义，郭亮，孙明烨，李爽，王洪建，周东，刘洋，赵庆林，刘平原，赵阳，苏业旺
第一作者单位：北京燃气怀柔有限公司
摘自《煤气与热力》2023年11月刊
黎洪义，郭亮，孙明烨，等. 基于大应变传感器的PE燃气管道安全监测系统［J］. 煤气与热力，2023，43（11）：B24-B28，B46.
管道运输是目前石油、天然气的主要运输方式，PE管道因具有优良的抗腐蚀性能、良好的力学性能、较长的使用寿命等特点得到了广泛使用。石油、天然气输配系统中，一旦发生泄漏，可能引发人员伤亡和环境污染等灾难性事故［1］。及时发现管道安全隐患是安全生产的重要环节，实时监测管道的应变，及时发现并定位处于危险状态的管道，对保障管道安全运营和管理具有重要意义。目前针对PE燃气管道的安全问题主要采用人工巡检法，该方法效率低、实时性差、监测范围有限［2］。PE管道在实际工况中的应变可达10%以上，而传统应变片或光纤传感器可测应变普遍在1%以下，因此无法采用传统应变片、光纤作为传感元件实时测量PE管道的应变。本文针对PE管道应变范围较大、无法实时监测的问题，采用基于力学结构设计的无接触电阻式大应变传感器，结合物联网、地理信息系统（GIS）等技术手段，研发了基于大应变传感器的PE燃气管道安全监测系统，实现燃气管道的实时应变监测，并通过管道应变信息分析管道的运行状态，实现PE燃气管道的实时动态安全监测和预警。2 大应变传感器研究
目前已研发出基于不同传感原理的多类型柔性应变传感器，根据传感机理主要分为电阻式［3-5］、电容式［6］、压电式［7］以及摩擦电式［8］。在这些传感器中，电阻式应变传感器因其结构简单、抗干扰能力强而受到了广泛关注。在实际工程应用中，大应变传感器应满足以下性能要求：大量程，量程大于待测物可能发生的最大应变；高重复性［9］，高重复性是保证测试结果准确性的必要指标；高线性度［9-11］，传感器粘贴于待测物表面后无法保证传感器无初始变形，高线性度可使得传感器不受安装方式与初始应变的影响；低温度灵敏系数［11］，避免传感器受环境与待测物温度的影响。现有关于电阻式柔性大应变传感器的主流研究大多基于接触电阻原理，即通过各种传感材料及相应微结构设计实现导电微结构接触关系的变化［5，12］，以此决定传感器的可拉伸性和电阻变化。这些大应变传感器通常具有较大量程和较高灵敏系数，但由于不稳定接触微结构易发生结构非线性变形或者接触模式的转换，其重复性和线性度有待提高。与之前的大量研究不同，本团队另辟蹊径，基于力学结构设计，研制了一种无接触电阻式大应变传感器［13］，结构见图1。该传感器主要由外侧铂金硅胶（Ecoflex）封装层、聚酰亚胺（PI）基底、康铜传感层以及康铜传感层上方的PI覆盖层构成，其中康铜传感层在蛇形结构圆弧段较窄。在蛇形结构两侧的焊盘用焊锡接出银导线，在应用时将银导线接入欧姆表测量电阻变化即可。该传感器的传感原理为拉伸-弯曲-拉伸的变换机制［13］（见图2），当传感器随被测物变形时，传感器的主要变形模式为蛇形结构弧形段的弯曲和直线段的旋转。其中最大变形位于弧形段，直线段的变形相对较小。康铜传感层在弧形段采用了偏轴设计，使得传感器整体的拉伸可通过弧形段的弯曲转换为康铜传感层的拉伸，从而导致传感器电阻变化。根据康铜传感层在弧形段偏轴方向不同，可构建拉伸电阻增大与拉伸电阻减小两种模式，通过搭建惠斯通电桥，使得变形影响增大、温度影响抵消，实现了传感器的温度补偿［13］，可通过测量电桥的输出电压表征传感器应变。3 大应变传感器性能测试与可行性验证
针对PE管道应变监测需求，设计并制造量程大于25%的大应变传感器，并进行传感器各项性能（线性度、分辨率、温度系数）测试。将传感器置于拉伸机上，进行应变25%的循环加卸载试验，5次循环试验结果见图2。随着传感器拉伸，其输出电压变化量线性增大，当传感器拉伸至应变25%时，电压变化量约为2.75 mV，卸载时电压线性减小且能归零。试验结果表明传感器量程大于25%，量程内线性度超过0.999，灵敏系数为1.1×10-2 V。对于传感器的分辨率测量，对传感器以应变0.05%逐级加载，试验结果见图3，图中蓝色数据为加载的应变。传感器的电压变化量表现出阶梯状，每0.05%的应变使得电压变化量增加0.003 2 mV，表明传感器的分辨率达到了0.05%。为测算传感器的温度系数，将传感器置于智能温控箱内，对传感器施加20~40 ℃的温度载荷，试验结果见图4，曲线上方数据为温控箱内温度。传感器在从40 ℃降至20 ℃的温度载荷下，电压变化量稳定，电压变化量变化幅度约0.003 mV，相当于应变0.05%，再升温至40 ℃，电压变化量恢复初值，由此可知该传感器温度灵敏系数较低，输出信号受温度影响较弱。为验证传感器测量PE管道应变的可行性，制备PE哑铃形拉伸试件，将传感器粘贴于试件上，采用拉伸试验机逐渐施加应变，分析拉伸试验机的施加应变与传感器监测应变的关系，检验传感器测量PE管道应变的准确性。试验台见图5，试验结果见图6。从结果可以看出，监测应变与施加应变基本一致，当施加应变为25%时，监测应变为24.6%，证实了该传感器用于PE管道应变监测的准确性。4 管道安全监测系统框架、测试与应用
本团队设计了具备应变监测、定位、预警、数据分析管理等功能的管道安全监测系统（见图7）。该系统可分为供电模块、数据采集模块、数据传输模块、PE管道安全监测云平台。供电模块由太阳能电池与化学电池构成，当太阳能充足时，由太阳能电池为系统供电并向化学电池充电，累计充电10 d可充满化学电池。当太阳能不充足时，化学电池可为系统持续供电7 d。数据采集模块主要由大应变传感器与电压采集模块构成。大应变传感器粘贴于管道表面，可有效监测管道变形大小与方向。电压采集模块通过连接件固定于管道上，采用本团队设计的集成电路板，以485串口协议实现大应变传感器输出电压的实时采集。集成电路板外部设有防护外壳，可满足地下复杂环境的工作要求。数据传输模块可将数据采集模块采集的信号转化为IP信号，借助4G通信实时地将监测数据发送到PE管道安全监测云平台。PE管道安全监测云平台是本团队设计的多功能展示平台（简称云平台），可在任意移动端通过网址登录，其接收数据传输模块传输的信号，与GIS集成，以图、表格等形式实时显示各测点的变形状态和应变分布情况。同时，云平台对监测数据进行处理与分析，超过预警值系统自动报警，直接在GIS中定位显示，并给相关人员发送预警信息，为事故应急处置提供技术支持。其功能界面包括在线监控、数据中心、系统设置3部分（见图8）。在线监控界面可以显示管道各测点的位置、实时应变数据。数据中心对收到的数据进行存储与管理，可以进行历史数据查询、数据下载等操作。系统设置界面可对测点进行管理，并可设定预警值与管道安全负责人员，在监测应变大于预警值时，系统会给相关人员发送预警信息。为检验管道安全监测系统性能，搭建了测试平台（见图9）。测试管道为长5 m的两端简支的PE管道，在管道中间截面上间隔120°共设置3个大应变传感器，1个位于管道正下方（称为1点位），其余2个在侧上方（分别称为2、3点位），连接数据采集模块与数据传输模块，将应变信号上传云平台。大应变传感器安装位置见图10。将管道视为5 m长薄壁圆环截面的简支梁，在管道的中间位置添加质量为140 kg的砝码，即向下施加了1 400 N的集中力，间断加载4次。该管道外直径200 mm、内直径190 mm，PE材料弹性模量约为1 GPa，泊松比为0.48，取拉伸应变为正值，压缩应变为负值。通过材料力学知识计算可得，1点位的理论应变峰值为2.644%，2、3点位的理论应变峰值均为-1.322%。1~3点位的监测应变见图11，理论应变峰值与监测应变峰值的相对误差绝对值均小于3%，结果表明系统可准确监测PE管道变形，充分验证了该系统的有效性与准确性。为对系统整体性能及其实际工程应用可行性进行验证，对PE燃气管道安装了管道安全监测系统，进行应变监测示范工程应用试验，试验方案见图12。该PE燃气管道长300 m，每隔12 m设置1个测点，共设置25个测点。每个测点按照图10设置3个大应变传感器与1个电压采集模块，电压采集模块之间串联并与地面上的基站相连接。基站主要设有太阳能供电模块与数据传输模块，可以实现有效供电并将管道应变数据实时上传云平台。示范工程应用试验安装现场见图13。持续关注各测点监测应变，结果见图14。观察发现，施工结束后监测应变无明显变化，表明管道未发生沉降等现象。针对PE管道应变范围较大、无法实时监测的问题，设计并制造了基于力学结构的无接触电阻式大应变传感器，进行了性能测试与PE哑铃形试件拉伸应变监测试验，验证了该传感器用于PE管道应变监测的准确性。集成物联网技术、GIS研发了基于大应变传感器的管道安全监测系统，实现了对PE管道应变的实时动态监测和预警。开展了示范应用，充分验证了该系统的有效性与稳定性，为PE燃气管道的安全监测提供了技术方案与支持。［ 1 ］王立坤，王洪超，熊敏，等. 长距离输油管道泄漏监测技术分析及研究建议［J］. 油气储运，2014（11）：4-10.［ 2 ］冯仁剑，张帅锋，于宁，等. 应用于天然气管道安全监测的无线传感器网络节点设计与实现［J］. 传感技术学报，2009（10）：6-10.［ 3 ］CHENG Y，WANG R，SUN J，et al. A Stretchable and Highly Sensitive Graphene-Based Fiber for Sensing Tensile Strain，Bending，and Torsion［J］. Advanced Materials，2015，27：65-73.［ 4 ］AMJADI M，PICHITPAJONGKIT A，LEE S，et al. Highly Stretchable and Sensitive Strain Sensor Based on Silver Nanowire-Elastomer Nanocomposite［J］. Acs Nano，2014（5）：5154-5163.［ 5 ］YAMADA T，HAYAMIZU Y，YAMAMOTO Y，et al. A Stretchable Carbon Nanotube Strain Sensor for Human-motion Detection［J］. Nature Nanotechnology，2011（5）：296-301.［ 6 ］LIU Z F，FANG S，MOURA F A，et al. Hierarchically Buckled Sheath-Core Fibers for Superelastic Electronics，Sensors，and Muscles［J］. Science，2015，349：400-407.［ 7 ］PAYO I，HALE J M. Dynamic Characterization of Piezoelectric Paint Sensors Under Biaxial Strain［J］. Sensors and Actuators A-Physical，2010（1）：150-158.［ 8 ］HU H，ZHU X，WANG C，et al. Stretchable Ultrasonic Transducer Arrays for Three-Dimensional Imaging on Complex Surfaces［J］. Science Advances，2018（3）：3979-3990.［ 9 ］ARAROMI O A，GRAULE M A，DORSEY K L，et al. Ultra-Sensitive and Resilient Compliant Strain Gauges for Soft Machines［J］. Nature，2020，587：215-219.［10］COHEN D J，MITRA D，PETERSON K，et al. A Highly Elastic，Capacitive Strain Gauge Based on Percolating Nanotube Networks［J］. Nano Letters，2012（4）：1821-1826.［11］LI S，LIU G，WANG L，et al. Overlarge Gauge Factor Yields a Large Measuring Error for Resistive-Type Stretchable Strain Sensors［J］. Advanced Electronic Materials，2020（11）：3979-3985.［12］LIU Q，CHEN J，LI Y，et al. High-Performance Strain Sensors with Fish-Scale-Like Graphene-Sensing Layers for Full-Range Detection of Human Motions［J］. Acs Nano，2016（8）：7901-7907.［13］LI S，LIU G，LI R，et al. Contact-Resistance-Free Stretchable Strain Sensors with High Repeatability and Linearity［J］. Acs Nano，2022（1）：541-553.维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
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